JP2011188269A - High-output power amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、通信装置やレーダ装置等に用いられる高出力電力増幅器に関するものである。 The present invention relates to a high output power amplifier used in a communication device, a radar device, or the like.
電力増幅器に用いる増幅素子にはその素子に応じて増幅能力の上限があるため、増幅素子の能力以上の電力増幅が必要な場合には、複数の単位増幅器を並列合成して高出力電力増幅器を構成することが行われている。例えば、特許文献1には、高出力電力増幅器を構成する個々の単位増幅器が部分的に故障する場合に備えて、起動状態の単位増幅器と停止状態の単位増幅器による冗長構成を採用し、起動状態にある単位増幅器に故障が生じた場合には停止状態にある単位増幅器を適宜起動する高出力電力増幅器が開示されている。また、特許文献2には、2つの単位増幅器により構成する高出力電力増幅器において、いずれの単位増幅器も正常である場合にはA級増幅動作をさせ、一方の単位増幅器が正常でなくなると、他方の単位増幅器をAB級増幅動作に切り替える高出力電力増幅器が開示されている。
Amplifying elements used in power amplifiers have an upper limit on the amplification capacity depending on the element, so when power amplification exceeding the capacity of the amplifying elements is required, a plurality of unit amplifiers are combined in parallel to form a high output power amplifier. It has been made up. For example,
特許文献1に記載された従来の高出力電力増幅器の場合、動作状態にある単位増幅器に加えて停止状態にある単位増幅器が必要となり、より高い信頼性を確保するためには冗長数を増やすことになり装置の大型化を招くという問題点があった。逆に冗長数が決められるとそれ以上の故障数には対応できないという問題点もある。また、特許文献2に記載された従来の高出力電力増幅器においては、ゲート電圧を変化させて単位増幅器の動作級を変更することにより効率が良くなる反面、その出力電力は一意に増加することとなるため、単位増幅器の並列数が多くなると、合成して出力する出力電力を任意の故障数に対応して一定に保つことが設計上困難になるという問題点があった。
In the case of the conventional high output power amplifier described in
この発明は、並列接続された複数の単位増幅器のうち、いくつかの単位増幅器に故障が発生した場合において、合成して出力する出力電力の低下を防ぐことができ、また装置の大型化を抑制することのできる高出力電力増幅器を得ることを目的とする。 The present invention can prevent a decrease in output power synthesized and output when a failure occurs in some unit amplifiers among a plurality of unit amplifiers connected in parallel, and suppresses an increase in the size of the device. An object of the present invention is to obtain a high-output power amplifier that can be used.
この発明に係る高出力電力増幅器は、電力増幅回路、この電力増幅回路の入力側及び出力側に接続された第1及び第2のサーキュレータ、上記電力増幅回路の故障を検出する故障検出回路、上記電力増幅回路のドレイン電圧を制御するドレイン電圧制御回路を有するN個(Nは2以上の整数)の単位増幅器と、入力端子からの入力波を分配し、上記N個の単位増幅器へ出力する分配回路と、上記N個の単位増幅器の出力波を合成する合成回路と、上記故障検出回路により故障が検出されたときに、その故障が検出された単位増幅器の電源を停止し、正常動作している他の単位増幅器の上記ドレイン電圧制御回路の全てまたは一部へ、ドレイン電圧を増加するよう指令する制御信号を生成する制御回路とを備えたものである。 A high output power amplifier according to the present invention includes a power amplifier circuit, first and second circulators connected to an input side and an output side of the power amplifier circuit, a failure detection circuit for detecting a failure of the power amplifier circuit, N unit amplifiers (N is an integer of 2 or more) having a drain voltage control circuit for controlling the drain voltage of the power amplifier circuit, and a distribution for distributing the input wave from the input terminal and outputting to the N unit amplifiers When a failure is detected by the circuit, a synthesis circuit for synthesizing the output waves of the N unit amplifiers, and when the failure is detected by the failure detection circuit, the power of the unit amplifier in which the failure is detected is stopped, And a control circuit for generating a control signal for instructing all or part of the drain voltage control circuits of the other unit amplifiers to increase the drain voltage.
この発明によれば、故障が生じた単位増幅器の電源を停止し、正常動作している他の単位増幅器の全てまたは一部において、ドレイン電圧を増加するように制御するので、電力低下を防ぐことができ、装置の大型化を抑制することができる。 According to the present invention, the power supply of the unit amplifier in which the failure has occurred is stopped, and the drain voltage is controlled to be increased in all or a part of other unit amplifiers that are operating normally. And increase in size of the apparatus can be suppressed.
実施の形態1
この発明の実施の形態1に係る高出力電力増幅器について図1乃至図4を用いて説明する。図1はこの発明の実施の形態1に係る高出力電力増幅器の構成図である。図1において、1は入力端子、2は出力端子、3は入力端子1からの入力波を分配する分配回路、4は単位増幅器、5は単位増幅器4への入力端子、6は単位増幅器の出力端子、7は単位増幅器4からの出力波を合成する合成回路、8は単位増幅器4を制御する制御回路である。単位増幅器4において、9は電力増幅回路であり、10は電力増幅回路9の入力側に設けたサーキュレータ、11は電力増幅回路9の出力側に設けたサーキュレータ、12は電力増幅回路9の故障を検出する故障検出回路、13は電力増幅回路9のドレイン電圧を制御するドレイン電圧制御回路である。なお、図1においては、単位増幅器4等の符号にハイフンに継続して符号1及び2を付すことにより、それぞれの部品又は回路が回路系1及び回路系2に含まれることを表した(以降の図面も同様である。)。
A high-output power amplifier according to
次に正常時の動作について説明する。分配回路3は入力端子1から入力した高周波を2分配する。単位増幅器4は分配回路3により分配された入力波をサーキュレータ10を介して電力増幅回路9に入力し、増幅した後、サーキュレータ11を介して出力する。各単位増幅器9で増幅された出力波は合成回路7により合成されて出力端子2から出力される。ここで、電力増幅回路9のドレイン電圧は、所望の出力波電力が得られるよう、ドレイン電圧制御回路13によって所定の電圧に設定されている。図2はドレイン電圧制御回路13によって設定するドレイン電圧Vdと出力電力Pout(単位増幅器4の1個分)の関係を表す模式図であり、後述のように故障時にドレイン電圧を高められるように、正常動作時の動作点Aを設定している。
Next, normal operation will be described. The
次に単位増幅器4の一方に故障が生じたときの動作について説明する。一方の回路系の単位増幅器4内において、故障検出回路4は、電力増幅回路9の故障を検出すると故障検出信号を制御回路8へ出力する。制御回路8は、故障検出信号を受けて、故障している単位増幅器4の電力増幅回路9の電源をオフし、正常動作している単位増幅器4の電力増幅回路9のドレイン電圧を増加するよう指令する制御信号を生成し、正常動作している単位増幅器4内のドレイン電圧制御回路13へ出力する。ドレイン電圧制御回路13は、この制御信号を受けて、単位増幅器4の電力増幅回路9のドレイン電圧を増加させる。具体的には、図2に示すようにドレイン電圧を増加させて点Aから点Bに設定変更する。この設定変更によって、正常動作している単位増幅器4の電力増幅回路9の出力電力が3dB上昇し、出力端子2からの出力波の電力は故障前の値を保つことができる。点Bは出力電力が飽和せず、歪みの小さい領域で予め設定できることが好ましく、この点Bに対して出力電力が3dB低い点Aを正常動作時の設定とすればよい。実際には、出力電力要求値の大小および使用する電力増幅回路9のドレイン電圧vs出力電力特性に基づいて、点Bの設定と点Aの設定ができるように回路系の数は2以上の整数に決めればよい。
Next, the operation when a failure occurs in one of the
一方、故障した単位増幅器4について見ると、サーキュレータ10及び11がない場合には、一般に電力増幅回路9の入出力のインピーダンスが開放又は短絡状態となり、分配回路3側及び合成回路7側からみて、全反射状態になって正常動作している単位増幅器4へ影響が及ぶことになる。図1に示すように、電力増幅回路9の入力側及び出力側にそれぞれサーキュレータ10及び11を設けることによって、故障した電力増幅回路9での全反射を防ぎ、入出力インピーダンスを一定に保つことができる。
On the other hand, regarding the failed
次に故障検出回路12の構成及び動作について図3及び図4を用いて説明する。図3において、故障検出回路12は、電力分配器14とRF電力検波器15により構成される。単位増幅器4内の電力増幅回路9で増幅した高周波は、サーキュレータ11を介して出力端子6から出力されるが、その電力の一部を電力分配器14で分配し、RF電力検波器へ入力する。電力検波器14により電力モニターし、規定の電力範囲外であれば異常であると判定し、制御回路8へ通知する。尚、前記サーキュレータはアイソレータでもよい。
Next, the configuration and operation of the
図4は故障検出回路12の別の一例を示すものであり、故障検出回路12は電流値検出回路16により構成する。電力増幅回路9のドレイン電圧印加状態をいわゆる電流計である電流値検出回路16によりモニタし、電流値が規定範囲外であれば異常であると判定し、制御回路9へ通知する。
FIG. 4 shows another example of the
一方の回路系に故障が発生し、上述のように正常動作している電力増幅回路9のドレイン電圧を設定変更した後は、その正常動作中の単位増幅器4の故障検出回路12における動作異常の判定に用いる電力値や電流値の規定範囲も設定変更するようにすればよい。
After a failure occurs in one of the circuit systems and the drain voltage of the
以上のように、2系統の単位増幅器4のうちの一方が故障した場合において、故障していない側の電力増幅回路9のドレイン電圧を増加させて出力電力を増加させるので、出力端子2における出力電力の低下を防ぐことができ、故障部品の交換・修理までの運用を継続することができる。また、従来の冗長系による高出力電力増幅器の構成に比較して、予備系が不要であり、小型化が可能となる。
As described above, when one of the two
実施の形態2 Embodiment 2
この発明の実施の形態2に係る高出力電力増幅器について図5を用いて説明する。図5に示すように、実施の形態2に係る高出力電力増幅器はN個(Nは2以上の整数)の単位増幅器を並列接続しているものである。但し、N=2の場合は実施の形態1において説明済みであるので、実施の形態2ではとくにNが3以上の場合が対象となる。なお、図2においては、単位増幅器4等の符号にハイフンに継続して符号1乃至Nを付すことにより、それぞれの部品又は回路が回路系1乃至回路系Nに含まれることを表わす。以下に実施の形態2としてとくに説明するものを除き、図5において図1と同一の符号を付した部品及び回路は、図1のそれらの部品及び回路と同一又は相当する部品及び回路を表す。また、この実施の形態2における故障検出回路12は、実施の形態1において図3及び図4を用いて例示した回路構成と同等であるので簡潔のため説明を省略する。
A high-output power amplifier according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 5, the high-output power amplifier according to the second embodiment has N unit amplifiers (N is an integer of 2 or more) connected in parallel. However, since the case where N = 2 has already been described in the first embodiment, the case where N is 3 or more is a target in the second embodiment. In FIG. 2, the
すべての単位増幅器4が正常に動作している状態では、分配回路3によりN分配された入力波が各単位増幅器4内のサーキュレータ10を介して電力増幅回路9に入力され、電力増幅回路9が入力波を増幅し、サーキュレータ11を介して合成回路7へ出力する。合成回路7はN系統の単位増幅器4からの出力波を合成し、合成後の出力波は出力端子2から出力される。また、電力増幅回路9のドレイン電圧はドレイン電圧制御回路13により図2に示す動作点Aに設定されているものとする。
In a state where all the
次に故障時の動作について説明する。N個の単位増幅器4のうち1つの単位増幅器4が故障した場合、故障した単位増幅器4内の故障検出回路12は、故障検出し制御回路8へ故障検出信号を出力する。制御回路8は、故障検出信号を受けて、故障している単位増幅器4の電力増幅回路9の電源をオフし、正常動作している単位増幅器4の電力増幅回路9のドレイン電圧を増加するよう指令する制御信号を生成し、正常動作している単位増幅器4内のドレイン電圧制御回路13へ出力する。ドレイン電圧制御回路13は、この制御信号を受けて、単位増幅器4の電力増幅回路9のドレイン電圧を増加させる。
Next, the operation at the time of failure will be described. When one
また、N個の単位増幅器4のうちm個(mはNより小さい整数)の単位増幅器4が故障した場合にも、各故障した単位増幅器4内の故障検出回路12で故障が検出され、制御回路8は、故障状態の単位増幅器4の電力増幅回路9の電源をオフし、正常動作している単位増幅器4内の電力増幅回路9のドレイン電圧を増加させる。
Further, even when
ここで、正常動作している単位増幅器4の電力増幅回路9のドレイン電圧の増加方法について、制御回路8は、分配回路3及び合成回路7の構成に依存してより効率的な方法をとることになる。まず、分配回路3及び合成回路7が、2分配器を直並列に接続してトーナメント形式の回路構成を有している場合について考える。この場合、故障したk番目の単位増幅器4と対になるk−1番目又はk+1番目の単位増幅器4(故障した単位増幅器4が接続された2分配・合成器の他方の単位増幅器4)の出力波の電力が2倍となるように、当該k−1番目又はk+1番目の単位増幅器4のドレイン電圧を増加する設定変更(図2において動作点Bへの設定変更)することにより、合成損失を最小化することができる。
Here, regarding the method of increasing the drain voltage of the
一方、分配回路3及び合成回路7が、一括多分岐方式により構成されている場合には、正常動作している単位増幅器4のすべての出力電力が一様に増加するようドレイン電圧を設定変更すればよい。このときの各単位増幅器4の出力電力は、正常状態の出力電力に対してN/(N−m)倍に設定することになる。
On the other hand, when the
以上のように、この発明の実施の形態2に係る高出力電力増幅器によれば、複数の単位増幅器4が故障するモードにおいても、高出力電力増幅器の出力電力の低下を抑制することができるものである。また、実施の形態1と同様に、各単位増幅器4は、電力増幅回路9の前後にサーキュレータ10及び11を有して、電力増幅回路9の正常/故障状態に関わらず単位増幅器4の入出力インピーダンスがサーキュレータ10及び11の特性によって固定することができる。また、単位増幅器4の入出力インピーダンスが固定とできることにより、予め、故障する単位増幅器4の番号と、その故障時にドレイン電圧を増加させる単位増幅器4の番号及びドレイン電圧設定変更値を定めておきテーブル化して制御回路8に格納しておけば、正常動作している単位増幅器4のドレイン電圧の設定変更に伴う出力電力増加を最小としつつ、効率的な運用継続が可能となる。
As described above, according to the high output power amplifier according to the second embodiment of the present invention, it is possible to suppress a decrease in output power of the high output power amplifier even in a mode in which a plurality of
実施の形態3
この発明の実施の形態3に係る高出力電力増幅器について図6及び図7を用いて説明する。図6及び図7は、それぞれ高出力電力増幅器を構成する単位増幅器の別の実施形態を表す構成図である。実施の形態3に係る高出力電力増幅器の全体は、実施の形態1又は実施の形態2において説明した図1又は図2示す構成において、単位増幅器4部分を図6又は図7に示す単位増幅器4により代替した構成となる。したがって、この実施の形態3において単位増幅器4等についてとくに説明するもの以外は、実施の形態1と実施の形態2において図1乃至図5を用いて説明したものと同等に構成され動作するので、簡潔のため説明を省略する。
A high-output power amplifier according to
図6に示す単位増幅器4の構成例において、17は主増幅器、18は副増幅器であり、これらを並列に接続して電力増幅回路9としたのものである。この電力増幅回路9の動作について説明する。主増幅器17及び副増幅器18はそれぞれ動作点が異なるものとしており、このような並列接続の増幅回路構成は一般にドハティ構成と呼ばれている。具体的には、主増幅器17をC級動作させるピーク増幅器とし、副増幅器18をA級、AB級又はB級動作させるキャリア増幅器とする。なお、ドハティ構成とするためには、キャリア増幅器の出力側に4分の1波長線路を、ピーク増幅器の入力側に90度位相器を入れるなどするが、図示を省略している。
In the configuration example of the
単位増幅器4の電力増幅回路9を図6に示すようなドハティ構成とすることによって、高出力でかつ飽和電力からのバックオフが必要な装置において効率を高めることができるので、本発明のように故障時に正常動作している単位増幅器のドレイン電圧を増加して出力電力を高め、全体の出力波電力の低下を防止する高出力電力増幅器に好適である。
Since the
なお、このようなドハティ型の増幅回路の故障を検出する故障検出回路12について説明しておく。図3に示す故障検出回路12の場合には、サーキュレータ11の後段において同様に構成し得る。図4に示す故障検出回路12の場合には、主増幅器17及び副増幅器18ごとにドレイン電圧印加状態をいわゆる電流計である電流値検出回路16によりモニタし、電流値が規定範囲外であれば異常であると判定し、制御回路9へ通知するようにすればよい。
The
次に、図7に示す単位増幅器4の構成例において、19は位相可変回路であり、この位相可変回路19は電力増幅回路9の前段であって、サーキュレータ10の入力端子5側に設けたものである。この単位増幅器4の動作について説明する。実施の形態2で説明したように、N個の単位増幅器4のうちのいずれかに故障が発生した場合、正常動作している他の単位増幅器4のドレイン電圧をドレイン電圧制御回路13によって任意に増加させることにより、高出力電力増幅器の出力端子2における電力の低下を防ぐことができる。これは出力波の振幅を制御するものであるが、図7に示す単位増幅器4の構成によれば、さらに位相可変回路19を電力増幅回路9の前段に装荷することによって位相の制御も行うものである。
Next, in the configuration example of the
m個の単位増幅器4に故障が生じた場合、正常動作している他のN−m個の単位増幅器4のドレイン電圧の増加量及び出力位相は、分配回路3及び合成回路7の構成に依存する。したがって、実施の形態2と同様に複数の故障モードに対応して振幅だけでなく位相も制御することができ、最適な運用が可能となる。また、故障した単位増幅器4の入出力インピーダンスがサーキュレータ10及び11により固定されるため、予め、故障する単位増幅器4の番号と、その故障時にドレイン電圧を増加させる単位増幅器4の番号とそのドレイン電圧設定変更値、及び位相可変回路19の位相設定変更値を定めておきテーブル化して制御回路8に格納しておけば、正常動作している単位増幅器4のドレイン電圧の設定変更に伴う出力電力増加を最小としつつ、効率的な運用継続が可能となる。
When a failure occurs in the
1 入力端子
2 出力端子
3 分配回路
4 単位増幅器
7 合成回路
8 制御回路
9 電力増幅回路
10、11 サーキュレータ
12 故障検出回路
13 ドレイン電圧制御回路
14 電力分配器
15 RF電力検波器
16 電流値検出回路
17 主増幅器
18 副増幅器
19 位相可変回路
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